南方澳大橋事件可預防!橋樑健康監督系統方案探索

作者:陸向陽

2019 年 10 月宜蘭的南方澳大橋突然崩塌斷裂,事後各界開始調查,發現港務單位 21 年沒有確實檢測,而斷裂前的 3 年由某科技大學檢測,斷裂發生後卻難以出示報告。

南方澳大橋斷裂事件如何避免?(圖片來源

近期筆者也在 YouTube 上觀看一些南韓過去的重大公安意外,撇除非建築結構問題的世越號船難、大邱車站火燒車事件,亦有 1994 年聖水大橋崩塌 32 人死亡、1995 年三豐百貨倒塌 502 人死亡等重大事件。同為 2019 年 10 月美國紐奧良興建中的飯店倒塌,也造成 1 死 19 傷。而在南方澳大橋之前,國內也早有多次建築、橋樑嚴重崩塌事件。

南韓漢城(首爾的昔稱)跨越漢江的聖水大橋崩塌(圖片來源:維基百科)

筆者約在 2007 年、2008 年開始接觸無線感測器網路(Wireless Sensor Network, WSN)的議題,當時即有各種應用被提出,如在森林廣佈溫度感測器以便能預警監控森林大火,或石油公司在輸油管沿線埋設壓力感測器以便能預警漏油等,而橋樑或建築安全監控檢測也在其中。

而後 2013 年、2014 年開始興起的物聯網(Internet of Things, IoT)其實也包含了 WSN 的概念,或說 IoT 是以 WSN 為基礎所擴展延伸成。

由於橋樑、建築安全監測只是 WSN/IoT 諸多應用之一,筆者並沒有特別關注後續具體發展,且一般認為WSN/IoT 遲遲不能開展是因為應用多樣、想像空間大卻缺乏殺手應用(明顯的主流大宗運用),或多數人認為較可能成為殺手應用的應是自動抄錶取向的應用,因此就更少關切結構安全應用。

然而十年過去了,我國似乎沒能重視 WSN/IoT 在公共建設上的安全價值,此促使筆者對此方面進行一次探索,針對技術應用發展上提供一篇動向更新,讓大家更了解具體方案的近況。

學術研究

有關橋樑健康監督系統(Bridge Health Monitoring System, BHMS)的學術研究筆者找到數篇:

  1. 2014 年 5 月 IOSR-JECE 期刊,某印度大學的研究,用於印度 Akashi Kaikyo 橋
  2. 2015 年 IJSR 期刊,某印度工程學院的研究
  3. 2015 年 EDP Sciences,大陸北京某大學的研究,用於張家口通泰大橋
  4. 2018 年 4 月 IJRASET 期刊,某印度大學的研究

當然還有更多的研究可以搜尋,只是在 Google 上較快浮現為上述研究,以下簡單比較上述研究。

1. 感測器

橋樑監控有賴各種感測器

感測器是一大重點,IOSR-JECE 刊載的研究使用 4 種感測器:加速度感測器、溫度感測器、測力計(load cell)以及風力計(anemometer);ISJR 刊載的研究則使用 3 種,一樣有加速度感測器(使用ADI的ADXL335)、測力計,但還用上了彈性感測器(flex sensor/bend sensor),其實是量測金屬彎曲度所造成的電阻值改變。

EDP Science 的刊載則有 8 項感測,前述的風力、加速度感測外,溫度感測也加上濕度感測,然後有動態應力感測、靜態應力感測、攝影機、纜線振動感測(南方澳大橋即是用纜線吊著的)以及WIM(Weigh In Motion)等。

IJRASET 的刊載則使用振動感測器與沖刷感測器(scour sensor),前者其實也是使用 ADXL335 加速度感測器,後者則是偵測泡在水中的橋墩被水流沖刷的狀況。

通泰大橋上的感測器類型與配置位置(圖片來源:source

2. 晶片主控器

IOSR-JECE 用的是 PIC16F877A;ISJR 只說是 PIC18 系列;EDP Science 沒有詳述;IJRASET 的也是 PIC16F877A。看來印度研究有點喜歡用 Microchip 的 PIC 系列微控制器晶片。

3. 通訊方式

IOSR-JECE 使用 900MHz 的 GSM 2G 通訊;ISJR 的研究是用 TI 的 CC-2500 Zigbee 進行通訊,將感測資料傳到閘道器上,閘道器是用樹莓派充當,而後樹莓派也是透過 GSM 通訊再將資料往後拋;EDP Science 的作法比較特別,是用光纖線路將感測數據傳遞到中控位置,並沒有使用無線傳輸;IJRASET 則一樣使用 GSM 模組。

商業方案

商業方案上,筆者找到 2 家業者提供佈建與監控服務,一是美國的 IAI(Intelligent Automation, Inc.),另一是美國的 MachineSense, LLC,與商業方案的技術內容。不過 IAI 網站似乎無法連通,因此本文僅先說明 MachineSense 的作法。MachineSense 將公共建設結構安全的方案稱為 SignaGuard(IoT for Public Safety),其中包含橋樑結構安全監控、高樓結構安全監控、電災與火災防範以及洪水預測等。

SignaGuard 的作法是埋設 3 軸加速度感測器、陀螺儀、磁場感測器(部分實際導入案例中也有是用測力計與應力感測),並搭配影像監控,感測器的數據是透過藍牙無線傳輸到閘道器(SignaGuard 稱為DataHub),而後透過 4G 通訊傳至雲端,最前線的感測到最後端的雲端上傳是每 100 秒同步一次。

SignaGuard的橋樑健康監督系統示意圖(圖片來源:source

另外 SignaGuard 方案既可在感測器節點上使用電池運作也可用能源收割方式運作,以及正嘗試將光學移位感測器導入到方案中。SignaGuard 的方案已用於印度 Kolkata 的天橋、Haldiram 橋,美國的 Lehigh River 橋(已裝設 3 年)。

小結

最後,令人膽顫心驚的是,在 SignaGuard 官網上引用了 CNN 於 2018 年 2 月的報導,美國約 61 萬座橋樑中有 5 萬座被評定為結構不足,但每天仍有 1.74 億個人在上頭經過。結構不足有缺陷的橋平均壽命約 67 年,高於無缺陷的橋樑(平均約 40 年),美國有 1/3 的橋樑需要檢修。看來橋樑健康監督系統需要加緊拓展腳步才行。

(責任編輯:楊子嫻)

陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。
陸向陽

Author: 陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。

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